CN209148538U - 一种基于红外吸收光谱的气体检测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，包括驱动单元、光源、气室、光电检测单元和处理器，驱动单元与光源电连接，驱动光源发光；光源设置于气室入口，发出红外光射入气室；气室内充入待测气体，并设有离轴反射式光学系统，将光源射入的红外光进行多次反射后从气室出口射出；光电检测单元设置于气室出口，接收气室射出的红外光，将光信号转化为对应的电信号发送至处理器。所述气体检测系统采用红外吸收光谱法对待测气体浓度进行检测，通过在气室内设置离轴反射式光学系统，在不增加气室容积的情况下，有效增长吸收光程，进而有效提高整个检测系统灵敏度。同时，该系统还具有检测结果准确、体积小巧、方便携带的特点。

Description

一种基于红外吸收光谱的气体检测系统

技术领域

本实用新型涉及气体检测技术领域，具体涉及一种基于红外吸收光谱的气体检测系统。

背景技术

近年来，随着工业化的发展，尤其是石油、化工、煤炭、汽车等行业的迅速发展，人们的生活水平得到了很大提升，与此同时工业废气导致的环境污染问题也给我们带来了更大的困扰。目前，环境污染以及生态破坏等问题已经在某种程度上严重制约了全球社会经济的发展，并日益威胁到现代人类的身体健康和财产安全，因此迫切需要对有毒有害气体进行监控和检测，以便及时采取更加广泛而有效的措施来控制污染，降低重大事故和灾害的发生。

红外吸收光谱法是近年来发展迅速的气体检测手段，具有响应速度快、灵敏度高、稳定性好的优点，其原理为不同气体对红外光有不同的特征吸收光谱，当用红外光照射待测气体时，根据光谱吸收，反演出气体浓度。具体为：将待测气体充入气室，激光光源发出红外光经气室被待测气体吸收后，光电探测器对气室出射光进行检测，根据气室入射光和出射光光谱变化获得待测气体浓度。其中，待测光在气室中的吸收光程与检测结果成正比，即光程越长，系统灵敏度越高，检测结果越准确。但单一的通过增大气室体积增加光程，将使检测系统过大，不便携带，不能进行实时检测。如何在现有气室体积不变的情况下增加光程，提高检测灵敏度成为亟待解决的问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，检测结果准确，灵敏度高，同时具有体积小、方便携带的特点。

为解决上述技术问题，本实用新型采用了以下方案：

一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，包括驱动单元、光源、气室、光电检测单元和处理器，

所述驱动单元与光源电连接，用于控制、驱动光源发光；

所述光源设置于气室入口，用于发出红外光射入气室；

所述气室内设有充气接口和离轴反射式光学系统，所述充气接口用于将待测气体引入气室，所述离轴反射式光学系统用于将光源射入的红外光进行多次反射后从气室出口射出；

所述离轴反射式光学系统包括平面反射镜、第一凹面镜、反射滤波器和第二凹面镜，所述平面反射镜与所述第一凹面镜、反射滤波器和第二凹面镜相对设置，光源射入的红外光依次经第一凹面镜、平面反射镜、反射滤波器、平面反射镜、第二凹面镜反射后从气室出口射出；

所述光电检测单元设置于气室出口，用于接收经过气室吸收后的红外光，并将光信号转化为对应的电信号发送至处理器；

所述处理器与驱动单元和光电检测单元电连接，用于控制驱动单元和光电检测单元动作，并根据光电检测单元发出的电信号获得待测气体浓度。

特别地，所述平面反射镜、第一凹面镜、第二凹面镜表面镀金属电解质反射膜。

特别地，所述离轴反射式光学系统还包括准直系统，光源射入的红外光经准直系统后射入第一凹面镜。

特别地，所述充气接口设置黄铜镀铬针阀和氟橡胶O型密封圈。

特别地，所述气室出口和入口设置红外熔石英窗片。

特别地，所述处理器采用单片机。

特别地，所述驱动单元包括D/A转换模块、模拟开关和恒流源电路，处理器输出端一路经D/A转换模块连接模拟开关输入端，另一路直接连接模拟开关输入端，模拟开关输出端连接恒流源电路输入端，恒流源电路输出端连接光源。

特别地，所述光电检测单元包括光电二极管、I/V转换模块、低通滤波器、比例放大电路，光电二极管输出端依次经前置放大电路、二阶滤波电路和程控增益放大电路后接入处理器输入端。

特别地，所述基于红外吸收光谱的气体检测系统还包括显示单元，所述显示单元与处理器输出端电连接，用于显示检测结果。

特别地，所述基于红外吸收光谱的气体检测系统还包括设定单元，所述显示单元与处理器输入端电连接，用于向处理器发出控制指令。

本实用新型所述气体检测系统采用红外吸收光谱法对待测气体浓度进行检测，通过在气室内设置离轴反射式光学系统，在不增加气室容积的情况下，有效增长吸收光程，由于气体被吸收的程度与光程成正比，从而可以增强待测气体被红外光吸收程度，进而有效提高整个检测系统灵敏度。同时，所述基于红外吸收光谱的气体检测系统还具有检测结果准确、体积小巧、方便携带的特点。

附图说明

图1为本实用新型实施例1所述一种基于红外吸收光谱的气体检测系统结构框图。

图2为本实用新型实施例1所述驱动单元框图。

图3为本实用新型实施例1所述恒流源电路原理图。

图4为本实用新型实施例1所述离轴反射式光学系统结构框图。

图5为本实用新型实施例1所述光电检测单元框图。

图6为本实用新型实施例1所述I/V转换模块和一级放大电路原理图。

图7为本实用新型实施例1所述滤波电路原理图。

图8为本实用新型实施例1所述二级放大电路原理图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本实用新型作进一步的详细说明，但本实用新型的实施方式不限于此。

实施例1

光与气体相遇时，气体分子能态发生变化，气体分子吸收相应波段的光量，总光量减弱，气体分子吸收光谱，这些辐射或吸收光谱的范围很广，包括紫外光谱、红外光谱和微波。基于上述原理，本实施例公开了一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，如图1所示，图1为本实用新型实施例1所述一种基于红外吸收光谱的气体检测系统结构框图。所述一种基于红外吸收光谱的气体检测系统包括驱动单元、光源、气室、光电检测单元和处理器。

所述光源设置于气室入口，向气室发射红外光。本实施例优选的实施方案为所述光源采用LED46作为红外探测用光源，LED46属于异质结构的红外发光二极管，它利用金属有机物化学气相淀机法原理，在砷化铟衬底上制作出异质结二极管，这种新型技术工艺使得发光二极管在红外波段既能发射出单一性好的红外光，也能获得较强的光能量。LED46光源发出红外光射入气室。

所述驱动单元与光源电连接，驱动LED46光源发出红外光。LED46光源可以采用准连续驱动和序列脉冲驱动两种驱动方式，本实施例1优选实施方式采用序列脉冲驱动方式。如图2所示，图2为本实用新型实施例1所述驱动单元框图。所述驱动单元包括D/A转换模块、模拟开关和恒流源电路，其中，D/A转换模块输入端连接处理器，输出端连接模拟开关第一输入端，模拟开关的第二输入端连接处理器，模拟开关输出端连接恒流源电路输入端，恒流源电路输出端连接光源。处理器是整个驱动单元的控制单元，用于产生相应的脉宽可调信号(PWM波)，D/A转换模块用于控制输出可调电流的范围和大小，模拟开关用来控制输出驱动电流源的通断。根据驱动单元的设置要求，本实施例设计了如图3所示的恒流源电路。

所述气室内设有入口、出口、充气接口和离轴反射式光学系统，待测气体经充气接口充入气室，LED46红外光源发出的红外光经气室入口射入气室后，经离轴反射式光学系统进行多次反射后从气室出口射出。如图4所示，图4为本实用新型实施例1所述离轴反射式光学系统结构框图。所述离轴反射式光学系统包括平面反射镜、第一凹面镜、反射滤波器和第二凹面镜，所述平面反射镜与所述第一凹面镜、反射滤波器和第二凹面镜相对设置，光源射入的红外光射入第一凹面镜，经第一凹面镜反射后到达平面反射镜，经平面反射镜反射后到达反射滤波器，再反射回平面反射镜，再经平面反射镜反射后到达第二凹面镜，最后经第二凹面镜反射后从气室出口射出。所述离轴反射式光学系统的反射元件使光路回折，在无需增加气室体积的情况下可以增加吸收光程，由于气体被吸收的程度与光程成正比，从而可以增强待测气体被红外光吸收程度，在气室体积不变的情况下有利于提高整个检测灵敏度。目前，很多基于红外吸收光谱的气体检测系统采用透射式光学系统，但光通过透射元件时，透射元件对光有一定的吸收，浪费了光源能量。而本实施例采用反射式光学系统则充分利用了光源能量，有助于提高使用效率和检测效率。为进一步增强对光源发出红外光的反射性，本实施例的优选实施方案为在平面反射镜、第一凹面镜、第二凹面镜表面镀金属电解质反射膜。同时，为进一步对光源能量进行有效利用，本实施例的优选实施方案为在离轴反射式光学系统增加准直系统，LED46红外光源射入的红外光经准直系统将红外光束进行集中后射入第一凹面镜。同时，为增强气室的密封性，在气室的充气接口设置黄铜镀铬针阀和氟橡胶O型密封圈。红外光射入、射出气室时，分别需要经过气室入口和出口，为保证检测结果的准确性，本实施例的优选实施方式为在气室入口和出口处设置红外熔石英窗片，因红外熔石英窗片在红外波段具有很高的透射率，可以有效降低红外光射入、射出气室过程中的光源能量损失。

所述光电检测单元设置于气室出口，用于接收经过气室吸收后的红外光，并将光信号转化为对应的电信号发送至处理器。如图5所示，图5为本实用新型实施例1所述光电检测单元框图。所述光电检测单元包括光电二极管、I/V转换模块、低通滤波器、比例放大电路，光电二极管输出端依次经前置放大电路、二阶滤波电路和程控增益放大电路后接入处理器输入端。气室输出的光能量经光电二极管作用后转化为电流信号输出，I/V转换模块将电流信号转换为电压信号后，经低通滤波器进行滤波后，再经比例放大电路进行放大后发送至处理器输入端。其中，所述比例放大电路包括一级放大电路和二级放大电路。所述I/V转换模块、一级放大电路、滤波电路和二级放大电路如图6、7、8所示，图6为本实用新型实施例1所述I/V转换模块和一级放大电路原理图；图7为本实用新型实施例1所述滤波电路原理图；图8为本实用新型实施例1所述二级放大电路原理图。

所述处理器与驱动单元和光电检测单元电连接，控制驱动单元和光电检测单元动作，并接收光电检测单元发出的电信号，根据红外光吸收光谱的变化计算出待测气体浓度。需要说明的是，不同种类的气体分子，对应不同波长的红外光波能量被气体分子吸收，故光光电检测单元和处理器只需处理计算于待测气体类型相对应的光谱即可。本实施例的优选实施方式为所述处理器采用单片机。

为直观的展示检测结果，本实施例的优选实施方式为所述基于红外吸收光谱的气体检测系统还包括显示单元，所述显示单元与处理器输出端电连接，用于显示检测结果。该显示单元可以为LED显示屏等。

同时，为方便使用，本实施例的优选实施方式为，所述基于红外吸收光谱的气体检测系统还包括设定单元，所述显示单元与处理器输入端电连接，用于向处理器发出控制指令。所述设定单元可以为键盘，也可以为触摸屏等。

以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非对本实用新型作任何形式上的限制，依据本实用新型的技术实质，在本实用新型的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，包括驱动单元、光源、气室、光电检测单元和处理器，

所述驱动单元与光源电连接，用于控制、驱动光源发光；

所述光源设置于气室入口，用于发出红外光射入气室；

所述气室内设有充气接口和离轴反射式光学系统，所述充气接口用于将待测气体引入气室，所述离轴反射式光学系统用于将光源射入的红外光进行多次反射后从气室出口射出；

所述离轴反射式光学系统包括平面反射镜、第一凹面镜、反射滤波器和第二凹面镜，所述平面反射镜与所述第一凹面镜、反射滤波器和第二凹面镜相对设置，光源射入的红外光依次经第一凹面镜、平面反射镜、反射滤波器、平面反射镜、第二凹面镜反射后从气室出口射出；

所述光电检测单元设置于气室出口，用于接收经过气室吸收后的红外光，并将光信号转化为对应的电信号发送至处理器；

所述处理器与驱动单元和光电检测单元电连接，用于控制驱动单元和光电检测单元动作，并根据光电检测单元发出的电信号获得待测气体浓度。

2.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，所述平面反射镜、第一凹面镜、第二凹面镜表面镀金属电解质反射膜。

3.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，所述离轴反射式光学系统还包括准直系统，光源射入的红外光经准直系统后射入第一凹面镜。

4.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，所述充气接口设置黄铜镀铬针阀和氟橡胶O型密封圈。

5.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，所述气室出口和入口设置红外熔石英窗片。

6.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，所述处理器采用单片机。

7.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，所述驱动单元包括D/A转换模块、模拟开关和恒流源电路，处理器输出端一路经D/A转换模块连接模拟开关输入端，另一路直接连接模拟开关输入端，模拟开关输出端连接恒流源电路输入端，恒流源电路输出端连接光源。

8.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，所述光电检测单元包括光电二极管、I/V转换模块、低通滤波器、比例放大电路，光电二极管输出端依次经I/V转换模块、低通滤波器、比例放大电路后接入处理器输入端。

9.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，还包括显示单元，所述显示单元与处理器输出端电连接，用于显示检测结果。

10.根据权利要求1所述的一种基于红外吸收光谱的气体检测系统，其特征在于，还包括设定单元，所述设定单元与处理器输入端电连接，用于向处理器发出控制指令。